等離子噴涂法

等離子噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰，即利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)。在高速等離子體火焰的引導下，高速撞擊工件表面。噴涂過程中，首先是噴涂材料被加熱達到熔化或半熔化轉(zhuǎn)臺；然后是被氣流推動向前噴射的飛行階段；最后以一定的動能沖擊基體表面，產(chǎn)生強烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯，呈波浪形堆疊在一起的的層狀組織結(jié)構(gòu)。顆粒與顆粒之間不可避免的存在一部分空隙或者孔洞，其孔隙率一般在4%~20%之間，涂層中伴有氧化物和夾雜。采用等離子體弧高溫熱源，超音速以及低壓或保護氣氛噴涂可減少這種空隙、孔洞等缺陷。

由于涂層是層狀結(jié)構(gòu)，所以涂層的性能具有一定的方向性，涂層與基體表面的結(jié)合一般認為有以下兩種：機械結(jié)合，碰撞而成的扁平狀的顆粒隨基體表面有一定的起伏，和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結(jié)合；另一種是冶金結(jié)合，這是當涂層和基體表面出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結(jié)合烈性，包括在結(jié)合面上生成的金屬間化合物或固溶化，以上結(jié)合中等離子體噴涂涂層是以機械結(jié)合為主。

涂層的性能與噴涂粉末的質(zhì)量和噴涂的工藝密切相關(guān)。對于噴涂用的粉末的處理相當?shù)闹匾娡抗に噷ν繉有阅艿挠绊懸埠艽?，噴涂時功率高、涂層致密、基體溫度控制不當則會產(chǎn)生殘余應力導致涂層剝落和失效。

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）法

近年來發(fā)展起來的EB-PVD熱障涂層是用高能電子束加熱并氣化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子為單位沉積到基體上而形成的，在制備梯度熱障涂層時，實現(xiàn)了金屬粘結(jié)層與陶瓷層之間結(jié)構(gòu)和成分的連續(xù)過度。經(jīng)過高溫后續(xù)處理，是粘結(jié)層與陶瓷層之間形成擴散，從而消除了內(nèi)界面。其涂層組織為垂直于基體表面的柱晶狀組織。柱體和基體間屬于冶金結(jié)合，穩(wěn)定性很好，且在高溫下，柱狀組織結(jié)構(gòu)的涂層具有良好的應變承受能力。從而大大的提高了涂層的抗熱疲勞的性能。在熱循環(huán)實驗中，涂層的失效是由于Al2O3層內(nèi)部開裂引起的。另外涂層表面光滑無需再加工，工藝參數(shù)易于控制，涂層可修復均是與等離子體噴涂制備熱障相比的優(yōu)勢所在。然而，涂層厚度不可控，表面清洗復雜、設(shè)備復雜昂貴、沉積速率相對較低、工藝流程繁瑣這些缺點也是非常需要研究改進的。

液體注入等離子體熱噴涂法

液體注入等離子體噴涂是近年來出現(xiàn)的一種很有前途的涂層制備方法，國內(nèi)幾乎沒有報道，主要是國外進行了一些探索性的研究。液體注入等離子體噴涂設(shè)備熱障涂層的原理是鋯鹽溶液用輸送的馬達抽出，在載氣的作用下，經(jīng)過霧化噴嘴，進入等離子體中，在熱等離子體中發(fā)生物理化學反應后，沉積到金屬基體上。粉末注入法制備的常規(guī)熱障涂層只能經(jīng)受400次左右的熱循環(huán)，EB-PVD制備的熱障涂層是780次左右，液體注入法制備的新型熱障涂層可經(jīng)受平均為1018次的熱循環(huán)，熱循環(huán)性能得到改善；涂層中相結(jié)構(gòu)組成主要為非轉(zhuǎn)變型的四方相，且在1121℃下熱循環(huán)時無相變發(fā)生；裂紋的寬度會隨著熱循環(huán)的循環(huán)次數(shù)的增加而增加；涂層的硬度在熱循環(huán)的早期會有所增加；涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)過程中得以保留；液體進入等離子體噴嘴的穿入深度對涂層的沉積效率有著很大的影響；涂層失效主要發(fā)生在陶瓷面層內(nèi)靠近陶瓷面層與粘結(jié)層的界面處。

總的來說，利用溶液注入等離子體噴涂工藝制備的熱障涂層具有以下特點：

（1）獨特的顯微結(jié)構(gòu)：涂層的晶粒尺寸大小為10~30nm；均勻的納米級和微米級孔隙；具有縱向微裂紋；不存在層狀顆粒和片層晶界；

（2）納米晶粒長大過程受到抑制；

（3）涂層具有良好的抗熱震性能。

Sol-gel復合料漿熱壓濾法制備陶瓷涂層法

采用Sol-gel復合料漿熱壓濾法制備出具有YPSZ顆粒鑲嵌于Al2O3-Y2O3空間網(wǎng)絡膜結(jié)構(gòu)的Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層，則可既綜合Al2O3-Y2O3和ZrO2-Y2O3兩種涂層的優(yōu)點，獲得更好的綜合效果。

使用熱壓濾法制備的PYSZ涂層具有納米/微米/微孔復合結(jié)構(gòu)，可以有效的降低聲子熱傳導和對流熱傳導，使涂層具有較高的熱障效果。涂層的熱障效果隨料漿中溶膠含量的增加而增高。

Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層中Al2O3-Y2O3網(wǎng)絡膜能夠阻擋氧離子的傳輸，鑲嵌的YPSZ可以調(diào)節(jié)涂層與基體的熱膨脹匹配關(guān)系，同時涂層的納米/微米/微孔復合結(jié)構(gòu)有利于應力的松弛，因此Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化和抗氧化物剝落的能力。

孔隙對熱障涂層性能的影響

孔隙在熱障涂層中較為常見，孔隙對熱障涂層的性能有利有弊。Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（Y2O3 partially stabilized zirconia，簡稱YSZ）由于具有較低的熱導率，而被廣泛用作熱障涂層表面的陶瓷層材料。而最常用的制備涂層的方法就是等離子噴涂。但是由于等離子噴涂工藝的自身特點，涂層內(nèi)部不可避免地會存在孔隙等缺陷。涂層中的孔隙一方面可以降低涂層的熱導率，提高涂層的隔熱性能。另一方面又使涂層的綜合力學性能下降。

力學性能：力學性能是直觀地反映涂層質(zhì)量的重要基本指標之一，孔隙的存在使熱障涂層彈性模量降低，材料強度降低。若涂層空隙率較高，則且小孔徑孔隙分布比較均勻，使得裂紋長度有效縮短，沒有貫穿性裂紋和平行裂紋，且未完全熔融的小尺寸顆粒能夠增加涂層的韌性，這對于抗熱震性比較有利。

但孔隙帶來的也不全是壞處——由于等離子噴涂制備的熱障涂層具有層片狀結(jié)構(gòu)的典型特征，有的存在貫穿性裂紋，有的裂紋平行于涂層表面，平行于涂層表面的裂紋結(jié)構(gòu)容易導致涂層失效，對抗熱震性十分不利。如果涂層孔隙率較高，且小孔徑孔隙分布比較均勻，使得裂紋長度有效縮短，沒有貫穿性裂紋和平行裂紋，且未完全熔融的小尺寸顆粒能夠增加涂層的韌性，這對于抗熱震性比較有利。這種孔隙將會吸收熱震工況下的熱應力，能夠容納較高的應力，使涂層具有較好的抗熱震性能。

熱學性能：靜止的空氣是熱的不良導體。在一定孔隙率的情況下，減小孔隙尺寸，將增加孔隙的數(shù)量及表面積，進而增加孔隙與陶瓷材料之間的界面數(shù)量。在一定的界面熱阻條件下，界面數(shù)量越多，其導熱能力越低，所以孔隙尺寸的減小可降低涂層的熱導率。

用于耐腐蝕、高溫抗氧化和高溫抗沖刷等環(huán)境下的涂層，要求孔隙越少越好，而對于帶有潤滑劑的摩擦部件和在高溫隔熱條件下的基體表面，孔隙又是有利的。